[發明專利]一種基于復雜地形的化學仿真環境構建方法

有效

• 申請號: 202110619613.3
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113378367B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 劉順華;顧進;羅志榮;劉學程;方民;宋斌;徐權周;李慧卓;張博;閆閏
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍防化學院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/05
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 李曉莉

1.一種復雜地形的化學仿真環境構建方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

步驟一：傳統化學仿真環境構設

采用以連續點源高斯擴散模型，設置一定區域范圍的化學仿真環境，高斯模型公式如下：

公式(1)以化學源(地面源)為坐標原點，風向為x軸，橫風為y軸，z為空間點與原點的垂直距離，單位為m；Q為化學源的施放源強，單位為g/s；u為風速，單位為m/s；σ_y、σ_z分別為縱向和垂直方向擴散參數，單位為m，風速數據通過氣象設備獲得；

步驟二：地形高程修正

化學源距地面h米高，則公式(1)變為：

高程值z₀直接從地形數據中讀取，用下式計算高度：

z＝z₀+h (3)

將z代入公式(2)坐標進行計算，得到改進連續點源高斯擴散模型的高斯模型，

引入“地形追隨”坐標系，將坐標轉換為笛卡爾坐標，進行地形修正，

其中，h(x,y)為相對于參考水準面的地形高度，H_T是戰場空間的混合層厚度，σ的值變化范圍是0≤σ≤1，σ＝0對應于混合層頂部，σ＝1對應于地表面；

求距離地面1米高度(z-z₀＝1m)的化學云團濃度分布，則：

z＝σ(x,y)×z₀+h (7)

當大氣穩定度為A、B、C和D時：H_T＝a_sU₁₀/f；當大氣穩定度為E和F時：其中，

a_s、b_s為混合層系數，不同地區取值不同，查表獲得；U₁₀為10m調試處平均風速，當風速大于6m/s時取6m/s；Ω為地轉角速度，取為7.29·10^-5rad/s；為地理緯度，deg；結合我國地理位置，混合層厚度假設為800米；

進行坐標轉換后的連續點源高斯擴散方程：

步驟三：擴散參數修正

擴散參數是指化學云團隨濃度中心軸距離的濃度分布的均方差，表現為濃度正態分布的標準差，分為縱向和垂直方向擴散參數，用σ_y、σ_z表示，擴散參數σ_y、σ_z值根據大氣穩定度和下風位置查表或者計算，用公式表示：

γ₁、a₁、γ₂、a₂為待定系數，X為下風距離(m)，根據大氣垂直穩定度和擴散距離查表獲取；

步驟四：質量守恒修正

復雜地形只影響化學云團的濃度分布，而對垂直于風向的橫截面上的化學云團質量沒有影響，化學云團總體上保持質量守恒；因此，最后計算的化學云團濃度根據高程修正后的濃度進行再次修正，保持質量不變，

對垂直于x軸線的化學云團濃度截面，對垂直于x軸線的化學云團濃度截面進行積分，通過理想地形和修正后的化學云團濃度積分進行比較，引入地效因子s：

其中c₀(x,y,z)是理想地形的化學云團濃度分布，而c_z(x,y,z)是考慮高程和擴散系數修正的化學云團濃度分布，c_t(x,y,z)為c_z(x,y,z)經過地形效應修正后的化學云團濃度分布。于是：

∫c_t(x,y,z)dy＝s∫c_z(x,y,z)dy＝∫c₀(x,y,z)dy

假設空間無限大，根據質量守恒，可直接簡化為化學云團濃度擴散方程：

c_t(x,y,z)＝s·c_z(x,y,z) (11)

通過公式(12)能夠計算出關注區域內任意位置的化學云團濃度，地效因子可以通過坡度計算；

步驟五：專業訓練與裁決

確定防護時機的理論基礎是化學物質的毒性，即化學云團濃度，需要計算出一定時間內人員無防護而不受到傷害的最大毒劑濃度(即不可耐濃度)，

通過吸入有毒化學氣體，毒害劑量計算公式：

式中：L_ct——化學氣體毒害劑量，g·s/m³；

t₀、t₁——人員吸入化學氣體開始和結束時間，s；

c——人員所處位置化學濃度，g·s/m³；

通過公式(12)能夠計算出不同位置化學仿真環境濃度值，設置出不同的化學危害區，導調控制系統根據學員行動及吸入的化學毒害劑量能作出裁決，通過濃時積分和毒害劑量來動態設置化學危害區域，實現化學環境與模擬器之間的仿真交互。